【正文】 ..................................... 51 總結(jié) ................................................................................................................ 51 展望 ................................................................................................................ 51 謝 辭 .......................................................................................................................... 53 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 54 附件一 電路原理圖 .................................................................................................... 56 附件二 PCB 圖 ........................................................................................................... 59 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 頁 共 59 頁 1 緒 論 研究的背景與意義 數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一，它研究數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等問題。在這些環(huán)境中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)有著其巨大優(yōu)勢。而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)越來越趨向數(shù)字化、智能化、遠(yuǎn)距離方向發(fā)展。 目前國內(nèi)外采用的數(shù)據(jù)采集方案和運行方式多種多樣，其所達(dá)到的目的和要求也不同。 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 頁 共 59 頁 論文的目標(biāo)是設(shè)計一個當(dāng)前在國內(nèi)的實際狀況下通用、開放的系統(tǒng)，因此采用了通用的標(biāo)準(zhǔn)去設(shè)計方案。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (DataAcquisitionSysteln)簡稱 DAS 系統(tǒng) ,是對工業(yè)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行運算、顯示、儲存及各種控制的裝置。 軟件功能則更豐富，根據(jù)用戶需要 ,可編制控制和服務(wù)程序 ,如操作指導(dǎo)、統(tǒng)計分析等、實現(xiàn)實時或即時打印或通信 [9]。出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [10]?？煽啃圆粩嗵岣?，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)物理層通信 ,由于采用 RS48雙絞線、電力載波、無線和光纖，所以其技術(shù)得到了不斷發(fā) 展和完善。 國外起步較早，某些地區(qū)在此領(lǐng)域己制訂了相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)也較先進(jìn)，并不斷地開發(fā)新技術(shù)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品市場廣闊 ,發(fā)展?jié)摿艽?,到現(xiàn)在各種產(chǎn)品種類繁多 ,形式復(fù)雜 ,缺少一個統(tǒng)一的規(guī)范。數(shù)據(jù)采集與控制的核心部件單片機(jī)是軟硬件配合工作的，在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計好以后還要分別設(shè)計配合主從機(jī)使用的軟件。 工作安排流程圖如下： 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁 共 59 頁 圖 工作安排流程圖 系統(tǒng)分析 任務(wù)要求 （ 1）研究 RS485 總線技術(shù)的運用，即如何進(jìn)行通信協(xié)議的設(shè)計； （ 2） 采集 3 路節(jié)點信號； （ 3） 反饋 2 路模擬控制量（最大輸出電壓能達(dá)到 10V）； （ 4） 2 路繼電器遠(yuǎn)程控制。各種方案都有其特點，有其相適應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境和存在的條件，不能一概而論，甚至在特殊情況下還需要將其結(jié)合在一起，揚長避短可發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。缺點是只能采用貼片的封裝，但是由于工藝的原因，需要花費大量的時間在硬件電路的制作上。缺點是功能較少，如需要增加其它功能需要加入相應(yīng)的硬件，但根據(jù)本系統(tǒng)的要求，以 52 單片機(jī)為核心，再加上 DS18B20 等信息轉(zhuǎn)換模塊就完成系統(tǒng)要求的功能 綜合以上三個主機(jī)方案，最終選擇以 52 單片機(jī)為控制核心，來完成系統(tǒng)對信息的采集。缺點是：接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與 TTL 電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與 TTL 電路連接；傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為 20Kbps。故傳輸信號在千米之外都是可以恢復(fù)，而且 RS485 允許最大的從機(jī)數(shù)量達(dá)到 128 臺，具強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。根據(jù)系統(tǒng)的要求，主機(jī)部分需要完成的功能是讀取并顯示從機(jī)采集回來的實時數(shù)據(jù)信息 ，并且對從機(jī)的外設(shè)進(jìn)行控制。 主從機(jī)系統(tǒng)框圖如下： 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 共 59 頁 圖 遠(yuǎn)程采集與控制器的系統(tǒng)框圖 主機(jī)單片機(jī)發(fā)送信號通過 RS485 總線傳給從機(jī) ,從機(jī)判斷主機(jī)發(fā)過來信息再通過繼電器控制電路控制 AD 電路和 DA 電 路工作，最后又通過 RS485 總線傳回信息給主機(jī)。 第二章：介紹 RS485 通信協(xié)議，主要分 3 個方面進(jìn)行介紹： RS485 標(biāo)準(zhǔn)、RS485 通訊協(xié)議、 RS485 應(yīng)用要點。 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 共 59 頁 2 RS485 協(xié)議規(guī)范 通常的微處理器都集成有 1 路或多路硬件 UART 通道，可以非常方便地實現(xiàn)串行通訊。本章將詳細(xì)介紹 485 標(biāo)準(zhǔn)、通訊規(guī)約、應(yīng)用要點。為改進(jìn) RS232 通信距離短、速率低的缺點， RS422 定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到 10Mbps，傳輸距離延長到 4000 英尺（速率低于 100kbps 時），并允許在一條平衡總線上連接最多 10 個接收器。 RS23 RS422 與 RS485 標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。 表 RS23 RS42 RS485 的區(qū)別 標(biāo)準(zhǔn) RS232 RS 422 RS 485 工作方式 單端 差分 差 分 節(jié)點數(shù) 1收、 1發(fā) 1發(fā)、 10收 1發(fā)、 32收 最大傳輸電纜長度 50 英尺 4000 英尺 4000 英尺 最大傳輸速率 20Kbps 10Mbps 10Mbps 最大驅(qū)動輸出電壓 +/25V ～ +6V 7V～ +12V 發(fā)送器輸出信號電平 (負(fù)載最小值 ) 負(fù)載 +/5V～ +/15V 177。6V 發(fā)送器負(fù)載阻抗 (Ω) 3K～ 7K 100 54 擺率 (最大值 ) 30V/μs N/A N/A 接收器輸入電 壓范圍 177。200mV 接收器輸入電阻 (Ω) 3K～ 7K 4K(最小 ) ≥12K 發(fā)送器共模電壓 3V～ +3V 1V～ +3V 接收器共模電壓 7V～ +7V 7V～ +12V RS232 標(biāo)準(zhǔn) RS232 被定義為一種在低速率、近距離串行通訊的單端標(biāo)準(zhǔn)。 RS422/485 標(biāo)準(zhǔn) RS422/485 標(biāo)準(zhǔn)的全稱為 TIA/EIA422B 和 TIA/EIA485 串行通訊標(biāo)準(zhǔn)。 RS485 標(biāo)準(zhǔn)是為彌補 RS232 通信距離短、速率低等缺點而產(chǎn)生的。另有一個信號地 C。當(dāng)在接收端 AB 之間有大于 +200mV 的電平時，輸出為正邏輯電平；小于 200mV 時，輸出為負(fù)邏輯電平。 TIA/EIA485 串行 通訊標(biāo)準(zhǔn)的性能如表格 所示： 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 共 59 頁 表 TIA/EIA485 通訊方式的性能參數(shù) 規(guī)格 TIA/EIA485 傳輸模式 平衡 電纜長度＠ 90Kbps 4000 ft（ 1200m） 電纜長度＠ 10Mbps 50 ft（ 15m） 數(shù)據(jù)傳輸速度 10 Mbps 最大差動輸出 177。 通常， RS485 網(wǎng)絡(luò)采用平衡雙絞線作為傳輸媒體。 注意：并不是所有的 RS485 收發(fā)器都能夠支持高達(dá) 10Mbps 的通訊速率。終端匹配電阻安裝在 RS485 傳輸網(wǎng)絡(luò)的兩個端點，并聯(lián)連接在 AB 引腳之間。目前，在我國應(yīng)用的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中， RS485半雙工異步通信總線也是被各個研發(fā)機(jī)構(gòu)廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線。 目前， RS485 在國內(nèi)有著非常廣泛的應(yīng)用，許多領(lǐng)域，比如工業(yè)控制、電力通訊、智能樓宇等都經(jīng)?？梢砸姷骄哂?RS485 接口電路的設(shè)備。 ModBus 協(xié)議 (RTU 模式 ) 以下資料摘錄于 Modbus 協(xié)議 (RTU 模式 )的一部分，介紹了 Modbus RTU 協(xié)議的基本構(gòu)成、主要特點、參數(shù)規(guī)定；便于我們理解一個通訊協(xié)議的基本模式與要求 [18] 。數(shù)據(jù)段包含了南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 共 59 頁 從設(shè)備要執(zhí)行功 能的任何附加信息。 響應(yīng)： 如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的響應(yīng)，在響應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的響應(yīng)。 圖 ModBus 協(xié)議的 ―查詢 —響應(yīng) ‖模式 2． RTU 模式 RTU 模式的格式： 地址 功能代碼 數(shù)據(jù)數(shù)量 數(shù)據(jù) 1 ... 數(shù)據(jù) n CRC高字節(jié) CRC低字節(jié) 當(dāng)控制器設(shè)為在 Modbus 網(wǎng)絡(luò)上以 RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信，在消息中的每個 8Bit 字節(jié)包含兩個 4Bit 的十六進(jìn)制字符。傳輸?shù)牡谝粋€域是設(shè)備地址。在最后一個傳輸字符之后，一個至少 個字符時間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。同樣地，如果一個新消息在小于 個字符時間內(nèi)開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。 5． 響應(yīng) 當(dāng)從設(shè)備響應(yīng)時，它使用功能代碼域來指示是正常響應(yīng) (無誤 )還是有某種錯誤發(fā)生（稱作異議響應(yīng)）。對異議響應(yīng)，它返回： 1 0 0 0 0 0 1 1 （十六進(jìn)制 83H） 除功能代碼因異議錯誤作了修改外，從設(shè)備將一獨特的代碼放到響應(yīng)消息的數(shù)據(jù)域中，這能告訴主設(shè)備發(fā)生了什么錯誤。 例如，如果主設(shè)備需要從設(shè)備讀取一組保持寄存器（功能代碼 03），數(shù)據(jù)域指定了起始寄存器以及要讀的寄存器數(shù)量。 幀起始符 （ 68H） 地址域 （ A0~A5） 幀起始符 （ 68H） 命令 碼 （ C） 數(shù)據(jù)長度 （ L） 數(shù)據(jù)域（ DATA） 校驗碼 （ CS） 結(jié)束符 （ 16H） 地址域 A0～ A5：當(dāng)?shù)刂肺?999999999999H 時，為廣播地址，同時當(dāng)從控制器接收到一幀數(shù)據(jù)時，地址域相同時應(yīng)響應(yīng)命令，取得總線控制權(quán)，當(dāng)響應(yīng)命令之后，應(yīng)把總線控制權(quán)歸還給主控器。 數(shù)據(jù)域：發(fā)送時數(shù)據(jù)加 33H，接收時數(shù)據(jù)減 33H。例如， RS485 網(wǎng)絡(luò)通常采用雙絞線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，其特性阻抗為120Ω，因此， RS485 總線上的兩個端點也應(yīng)各安裝 1 個 120Ω的終端 匹配電阻。 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 17 頁 共 59 頁 3 基于 RS485通信遠(yuǎn)程采集與控制器的硬件設(shè)計 本章介紹了主從機(jī)硬件電路部分的設(shè)計，主 要從單片機(jī)應(yīng)用電路、電源穩(wěn)壓電路、 AD 采集電路、 DA 電路、 RS485 接口電路、繼電器控制電路幾個部分的硬件設(shè)計進(jìn)行介紹。它即協(xié)調(diào)整機(jī)工作，又是數(shù)據(jù)處理器，是軟硬件系統(tǒng)連接的橋梁。圖 為硬件設(shè)計系統(tǒng)框圖。 3．工作頻率范圍： 0~35MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0~420MHz。 7． ISP（在系統(tǒng)可編程） /ASP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器可通過串口（ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。 11．時鐘源：外部高精度晶體 /時鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 /時鐘 常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器 頻率為： ~ 精度不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有溫漂，應(yīng)認(rèn)為是 5MHz~。 15．通用異步串行口（ UART）。 圖 STC12C5410AD 單片機(jī)封裝 STC12C5410AD 單片機(jī)中包含中央處理器、程序存儲器（ Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）、 EEPROM、定時 /計數(shù)器、 I/O 接口、 UART 接口和中斷系統(tǒng)、SPI 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、 PWM（或捕捉 /比較單元）以及硬件看門狗、電源監(jiān)控、片內(nèi) RC 振蕩器等模塊。上電復(fù)位后 P1 口為弱上拉型 I/O 口，用戶可以通過軟件設(shè)置將 8 路中的任何一路設(shè)置為 A/D 轉(zhuǎn)換，不需作為 A/D 使用的口可繼續(xù)作為 I/O 口使用。如果有些用戶的 Vcc 不固定，如電池供電，電池電壓在 之間漂移，則 Vcc 不固定，就需要在 8 路 A/D 轉(zhuǎn)換的一個通道外接一個穩(wěn)定的參考電壓源，來計算出此時 的工作電壓 Vcc，再計算出其他幾路 A/D 轉(zhuǎn)換通道